JP2007257918A

JP2007257918A - Operation control of fuel cell system

Info

Publication number: JP2007257918A
Application number: JP2006078481A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Okabe; 裕樹岡部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2007-10-04

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent stay of air bubbles in a cooling medium passage in a fuel cell during operation of the fuel cell in a fuel cell system. <P>SOLUTION: The fuel cell system is provided with a fuel cell and a cooling system to cool the fuel cell by circulating cooling water in the fuel cell. The cooling system circulates the cooling water of more than the circulation flow-rate corresponding to the power generation load of the fuel cell in the fuel cell for a prescribed period, when the fuel cell is in power generation and the power generation load of the fuel cell is less than a prescribed value. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムの運転制御、詳しくは、燃料電池を冷却する冷却システムの運転制御に関するものである。 The present invention relates to operation control of a fuel cell system, and more particularly to operation control of a cooling system for cooling a fuel cell.

水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池では、所望の発電性能を維持するために、所定の温度範囲内で発電が行われる。そして、燃料電池は、発電時に発熱を伴うため、燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料電池の温度が上記所定の温度範囲内で維持されるように、燃料電池に冷却媒体を循環させて、燃料電池を冷却する冷却システムが備えられる。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen has attracted attention as an energy source. In this fuel cell, power generation is performed within a predetermined temperature range in order to maintain desired power generation performance. Since the fuel cell generates heat during power generation, in the fuel cell system including the fuel cell, a cooling medium is circulated through the fuel cell so that the temperature of the fuel cell is maintained within the predetermined temperature range. A cooling system for cooling the fuel cell is provided.

このような燃料電池システムでは、上記冷却媒体の流路（冷却媒体流路）に気泡（エア）が混入していると、その気泡が燃料電池内の冷却媒体流路に滞留して、燃料電池の冷却が妨げられ、燃料電池の温度が過剰に上昇し、燃料電池の発電性能が低下したり、高温により燃料電池が破壊されたりするおそれがある。また、発電を行う複数の単セルを積層させた、いわゆる燃料電池スタックでは、一部の単セル内の冷却媒体流路に気泡の滞留が生じ、局所的な発電性能の低下等が生じるおそれもある。 In such a fuel cell system, if bubbles (air) are mixed in the cooling medium flow path (cooling medium flow path), the bubbles stay in the cooling medium flow path in the fuel cell, and the fuel cell. The cooling of the fuel cell is hindered, the temperature of the fuel cell rises excessively, and the power generation performance of the fuel cell may be reduced, or the fuel cell may be destroyed due to the high temperature. In addition, in a so-called fuel cell stack in which a plurality of single cells that generate power are stacked, bubbles may stay in the cooling medium flow paths in some of the single cells, and local power generation performance may be degraded. is there.

そこで、従来、このような不具合を回避するための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、燃料電池の起動時に、冷媒流路内に冷媒を供給するに際し、冷媒流路内に空気が残存しないように追い出す技術が記載されている。また、下記特許文献２には、燃料電池システムの運転中に、燃料電池から流出した冷却水の温度と、燃料電池に流入する冷却水の温度との差が閾値を超えたときに、冷却水経路中に気泡が混入したと判断して、この気泡を除去する技術が記載されている。 Therefore, conventionally, various techniques for avoiding such problems have been proposed. For example, Patent Document 1 described below describes a technique for driving out air so as not to remain in the refrigerant flow path when supplying the refrigerant into the refrigerant flow path when the fuel cell is started. Further, in Patent Document 2 below, when the difference between the temperature of the cooling water flowing out from the fuel cell and the temperature of the cooling water flowing into the fuel cell exceeds the threshold during the operation of the fuel cell system, A technique is described in which it is determined that bubbles are mixed in the path and the bubbles are removed.

特開２００３−１５１５７５号公報JP 2003-151575 A 特開２００５−１９０７０４号公報JP 2005-190704 A

しかし、上記特許文献１に記載された技術では、燃料電池の運転中の冷媒流路への気泡の混入、および、滞留については考慮されていなかった。また、上記特許文献２に記載された技術では、冷却水経路に気泡が混入した後に、これを検出して除去することはできるが、冷却水経路に気泡が滞留する前に、これを予防することはできなかった。 However, the technique described in Patent Document 1 does not take into account the mixing and retention of bubbles in the refrigerant flow path during operation of the fuel cell. Further, in the technique described in Patent Document 2, bubbles can be detected and removed after the bubbles are mixed in the cooling water path, but they are prevented before the bubbles stay in the cooling water path. I couldn't.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転中に、燃料電池内の冷却媒体流路での気泡の滞留を予防することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to prevent air bubbles from staying in a coolant flow path in a fuel cell during operation of the fuel cell in a fuel cell system. To do.

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池システムは、
燃料電池と、
該燃料電池に冷却媒体を循環させることによって、前記燃料電池を冷却する冷却システムと、を備え、
前記冷却システムは、
前記冷却媒体を冷却する冷却装置と、
前記燃料電池と前記冷却装置との間で、前記冷却媒体を循環させるための循環配管と、
該循環配管上に配設され、前記循環配管に前記冷却媒体を循環させる循環ポンプと、
前記燃料電池の温度が所定範囲内で維持されるように、前記燃料電池の発電負荷に応じて前記循環ポンプの出力を制御することによって、前記冷却システムにおける前記冷却媒体の循環流量を制御する制御部と、を備えており、
前記制御部は、前記燃料電池による発電中であって、前記燃料電池の発電負荷が所定値未満であるときに、所定期間、前記発電負荷に応じた前記循環流量よりも多い所定量の前記冷却媒体が前記循環配管を循環するように、前記循環ポンプを制御することを要旨とする。 In order to solve at least a part of the above-described problems, the present invention employs the following configuration.
The fuel cell system of the present invention comprises:
A fuel cell;
A cooling system for cooling the fuel cell by circulating a cooling medium in the fuel cell,
The cooling system includes:
A cooling device for cooling the cooling medium;
A circulation pipe for circulating the cooling medium between the fuel cell and the cooling device;
A circulation pump disposed on the circulation pipe and circulating the cooling medium through the circulation pipe;
Control for controlling the circulation flow rate of the cooling medium in the cooling system by controlling the output of the circulation pump according to the power generation load of the fuel cell so that the temperature of the fuel cell is maintained within a predetermined range. Department, and
When the fuel cell is generating power and the power generation load of the fuel cell is less than a predetermined value, the control unit has a predetermined amount of the cooling larger than the circulation flow rate according to the power generation load for a predetermined period. The gist is to control the circulation pump so that the medium circulates in the circulation pipe.

なお、本発明において、「所定値」は、燃料電池システムの仕様、例えば、燃料電池の特性等によって異なる。また、「所定期間」および「所定量」は、燃料電池が冷却され過ぎず、かつ、燃料電池内に形成された冷却媒体流路に、冷却媒体に含まれる気泡が滞留しない範囲内で、任意に設定可能である。 In the present invention, the “predetermined value” varies depending on the specifications of the fuel cell system, for example, the characteristics of the fuel cell. Further, the “predetermined period” and the “predetermined amount” are arbitrary within a range in which the fuel cell is not cooled too much and bubbles contained in the cooling medium do not stay in the cooling medium flow path formed in the fuel cell. Can be set.

燃料電池システムへの冷却媒体の充填は、燃料電池内や循環配管等の冷却媒体流路内になるべく気泡が混入しないように行われるが、この気泡の混入を完全に防止することは困難である。そして、燃料電池の発電負荷に応じて循環ポンプの出力を制御することによって、冷却システムにおける冷却媒体の循環流量を制御する従来技術の燃料電池システムでは、燃料電池の発電負荷が比較的低い場合には、燃料電池を冷却するために必要な循環流量が少なくなり、燃料電池の発電負荷が所定値未満である場合には、冷却媒体流路が比較的狭い燃料電池内に気泡が滞留するおそれがあった。 Filling the fuel cell system with the cooling medium is performed so that bubbles do not enter the fuel cell or the cooling medium flow path such as the circulation pipe, but it is difficult to completely prevent the bubbles from being mixed. . In the conventional fuel cell system that controls the circulation flow rate of the cooling medium in the cooling system by controlling the output of the circulation pump according to the power generation load of the fuel cell, the power generation load of the fuel cell is relatively low. If the circulating flow rate required to cool the fuel cell is reduced and the power generation load of the fuel cell is less than a predetermined value, there is a risk that bubbles will stay in the fuel cell with a relatively narrow cooling medium flow path. there were.

本発明では、燃料電池の発電負荷が所定値未満である場合に、所定期間、燃料電池の発電負荷に応じた循環流量よりも多い所定量の冷却媒体を循環させる。したがって、冷却媒体の流れの勢いによって、燃料電池内の冷却媒体流路での気泡の滞留を予防することができる。この結果、燃料電池の温度の過上昇による発電性能の低下や、破壊を抑制することができる。 In the present invention, when the power generation load of the fuel cell is less than a predetermined value, a predetermined amount of cooling medium larger than the circulation flow rate corresponding to the power generation load of the fuel cell is circulated for a predetermined period. Therefore, it is possible to prevent bubbles from staying in the coolant flow path in the fuel cell by virtue of the flow of the coolant. As a result, it is possible to suppress a decrease in power generation performance or destruction due to an excessive increase in the temperature of the fuel cell.

上記燃料電池システムにおいて、循環ポンプの具体的な制御態様としては、種々の態様が挙げられる。例えば、
前記制御部は、前記燃料電池による発電中であって、前記燃料電池の発電負荷が所定値未満であるときに、前記循環流量を所定時間間隔で間欠的に増加させるようにしてもよい。 In the above fuel cell system, various modes can be cited as specific control modes of the circulation pump. For example,
The controller may be configured to intermittently increase the circulation flow rate at predetermined time intervals when the fuel cell is generating power and the power generation load of the fuel cell is less than a predetermined value.

こうすることによって、燃料電池内をフラッシングし、燃料電池内の冷却媒体流路での気泡の滞留を予防することができる。なお、「所定時間間隔」は、例えば、冷却媒体流路の長さ等に応じて、任意に設定可能である。 By doing so, the inside of the fuel cell can be flushed, and bubbles can be prevented from staying in the coolant flow path in the fuel cell. The “predetermined time interval” can be arbitrarily set according to, for example, the length of the cooling medium flow path.

また、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池による発電中であって、前記燃料電池の発電負荷が所定値未満であるときに、前記循環流量を所定の下限値に制限するようにしてもよい。 In the fuel cell system of the present invention,
The controller may limit the circulation flow rate to a predetermined lower limit value when the fuel cell is generating power and the power generation load of the fuel cell is less than a predetermined value.

こうすることによっても、燃料電池内の冷却媒体流路での気泡の滞留を予防することができる。なお、「下限値」も、燃料電池内の冷却媒体流路に気泡が滞留しない範囲内で、任意に設定可能である。 This also prevents bubbles from staying in the coolant flow path in the fuel cell. The “lower limit value” can also be set arbitrarily within a range in which bubbles do not stay in the coolant flow path in the fuel cell.

本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。 The present invention does not necessarily have all the various features described above, and may be configured by omitting some of them or combining them appropriately. The present invention can be configured as an invention of a control method of a fuel cell system in addition to the above-described configuration as a fuel cell system. Further, the present invention can be realized in various modes such as a computer program that realizes these, a recording medium that records the program, and a data signal that includes the program and is embodied in a carrier wave. In addition, in each aspect, it is possible to apply the various additional elements shown above.

本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。 When the present invention is configured as a computer program or a recording medium storing the program, the entire program for controlling the operation of the fuel cell system may be configured, or only the portion that performs the function of the present invention is configured. It is good also as what to do. The recording medium includes a flexible disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a magneto-optical disk, an IC card, a ROM cartridge, a punch card, a printed matter on which a code such as a barcode is printed, a computer internal storage device (RAM or Various types of computer-readable media such as a memory such as a ROM and an external storage device can be used.

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
Ｂ．冷却システムの運転制御（第１実施例）：
Ｃ．冷却システムの運転制御（第２実施例）：
Ｄ．変形例： Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Configuration of fuel cell system:
B. Cooling system operation control (first embodiment):
C. Cooling system operation control (second embodiment):
D. Variation:

Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料電池１０に冷却媒体としての冷却水を循環させることによって、燃料電池１０を冷却する冷却システムとを備えている。 A. Configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 100 as an embodiment of the present invention. The fuel cell system 100 includes a fuel cell 10 and a cooling system that cools the fuel cell 10 by circulating cooling water as a cooling medium in the fuel cell 10.

本実施例における燃料電池１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させたスタック構造を有する積層体である。各単セルは、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、水素極（アノード）と、酸素極（カソード）とを配置した構成となっている。また、燃料電池１０内には、各アノードに燃料ガスとしての水素を供給するための燃料ガス流路や、各カソードに酸素を含む酸化剤ガスとしての空気を供給するための酸化剤ガス流路や、各単セルを冷却する冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。そして、燃料電池１０のアノードには、図示しない水素供給系によって、燃料ガスとして水素が供給される。また、燃料電池１０のカソードには、図示しない空気供給系によって、酸素を含有した酸化剤ガスとしての空気が供給される。なお、本実施例では、燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であるものとした。燃料電池１０として、他のタイプの燃料電池を用いるものとしてもよい。 The fuel cell 10 in the present embodiment is a stacked body having a stack structure in which a plurality of single cells that generate power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen are stacked. Each single cell has a configuration in which a hydrogen electrode (anode) and an oxygen electrode (cathode) are arranged with an electrolyte membrane having proton conductivity interposed therebetween. Further, in the fuel cell 10, a fuel gas channel for supplying hydrogen as a fuel gas to each anode, and an oxidant gas channel for supplying air as an oxidant gas containing oxygen to each cathode. In addition, a cooling medium flow path for flowing a cooling medium for cooling each single cell is formed. Then, hydrogen as fuel gas is supplied to the anode of the fuel cell 10 by a hydrogen supply system (not shown). In addition, air as an oxidant gas containing oxygen is supplied to the cathode of the fuel cell 10 by an air supply system (not shown). In this embodiment, the fuel cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell. As the fuel cell 10, another type of fuel cell may be used.

冷却システムは、放熱によって冷却水を冷却するラジエータ２０と、燃料電池１０とラジエータ２０との間で、冷却水を循環させるための冷却水配管４０と、冷却水配管４０上に配設され、冷却水配管４０に冷却水を循環させる冷却水ポンプ３０とを備えている。ラジエータ２０は、冷却ファン２２を備えている。また、本実施例における冷却水ポンプ３０は、冷却水に混入した気泡を外部に除去する機能を有している。 The cooling system is disposed on the radiator 20 that cools the cooling water by heat radiation, the cooling water pipe 40 for circulating the cooling water between the fuel cell 10 and the radiator 20, and the cooling water pipe 40. A cooling water pump 30 for circulating cooling water through the water pipe 40 is provided. The radiator 20 includes a cooling fan 22. Further, the cooling water pump 30 in this embodiment has a function of removing bubbles mixed in the cooling water to the outside.

冷却水は、冷却水ポンプ３０によって、冷却水配管４０を流れ、ラジエータ２０で冷却されて燃料電池１０に供給される。ラジエータ２０は、本発明における冷却装置に相当する。また、冷却水ポンプ３０は、本発明における循環ポンプに相当する。また、冷却水配管４０は、本発明における循環配管に相当する。 The cooling water flows through the cooling water pipe 40 by the cooling water pump 30, is cooled by the radiator 20, and is supplied to the fuel cell 10. The radiator 20 corresponds to the cooling device in the present invention. The cooling water pump 30 corresponds to the circulation pump in the present invention. The cooling water pipe 40 corresponds to the circulation pipe in the present invention.

また、冷却水配管４０には、図示するように、燃料電池１０に供給される冷却水の温度（冷却水温Ｔ１）を検出するための第１温度センサ４２と、燃料電池１０から排出された冷却水の温度（冷却水温Ｔ２）を検出するための第２温度センサ４４が設置されており、これらは、後述する冷却システムの運転制御に用いられる。 Further, as shown in the figure, the cooling water pipe 40 includes a first temperature sensor 42 for detecting the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell 10 (cooling water temperature T1), and the cooling discharged from the fuel cell 10. A second temperature sensor 44 for detecting the temperature of the water (cooling water temperature T2) is installed, and these are used for operation control of the cooling system described later.

燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット５０によって制御される。制御ユニット５０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。なお、本明細書では、燃料電池システム１００の種々の運転制御のうち、冷却システムの運転制御について、後に詳細に説明する。図中には、冷却システムの運転制御を実現するために、制御ユニット５０に入出力される信号の一例を破線で示した。入力信号としては、例えば、第１温度センサ４２や、第２温度センサ４４からの検出信号などが挙げられる。出力信号としては、例えば、冷却ファン２２や、冷却水ポンプ３０の制御信号などが挙げられる。制御ユニット５０は、本発明における制御部に相当する。 The operation of the fuel cell system 100 is controlled by the control unit 50. The control unit 50 is configured as a microcomputer including a CPU, a RAM, a ROM, and the like inside, and controls the operation of the system according to a program stored in the ROM. In the present specification, among various operation controls of the fuel cell system 100, the operation control of the cooling system will be described in detail later. In the drawing, an example of a signal input / output to / from the control unit 50 in order to realize operation control of the cooling system is indicated by a broken line. Examples of the input signal include detection signals from the first temperature sensor 42 and the second temperature sensor 44. Examples of the output signal include control signals for the cooling fan 22 and the cooling water pump 30. The control unit 50 corresponds to a control unit in the present invention.

Ｂ．冷却システムの運転制御（第１実施例）：
図２は、第１実施例における冷却システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池１０による発電中に、制御ユニット５０のＣＰＵが実行する処理である。ＣＰＵは、通常、燃料電池１０の発電負荷に応じて、冷却水ポンプ３０の出力Ｗを、燃料電池１０の温度Ｔｆｃを所定範囲内に維持するために必要な冷却水の循環量を得るための冷却水ポンプ３０の出力である必要出力Ｗｎに制御している。 B. Cooling system operation control (first embodiment):
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of operation control of the cooling system in the first embodiment. This process is a process executed by the CPU of the control unit 50 during power generation by the fuel cell 10. The CPU usually obtains the circulating water amount necessary for maintaining the output W of the cooling water pump 30 and the temperature Tfc of the fuel cell 10 within a predetermined range according to the power generation load of the fuel cell 10. The required output Wn, which is the output of the cooling water pump 30, is controlled.

ＣＰＵは、第１温度センサ４２、および、第２温度センサ４４によってそれぞれ検出された冷却水温Ｔ１と、冷却水温Ｔ２とを読み込み（ステップＳ１００）、冷却水温Ｔ２と冷却水温Ｔ１との差（ΔＴ）、および、燃料電池１０の温度Ｔｆｃを算出する（ステップＳ１１０）。燃料電池１０の発電負荷が比較的大きく、発熱量が比較的多い場合には、ΔＴは比較的大きな値となり、燃料電池１０の発電負荷が比較的小さく、発熱量が比較的少ない場合には、ΔＴは比較的小さな値となる。燃料電池１０の温度Ｔｆｃは、Ｔｆｃ＝Ｔ２＋αで表され、αは予め用意された値である。 The CPU reads the cooling water temperature T1 and the cooling water temperature T2 respectively detected by the first temperature sensor 42 and the second temperature sensor 44 (step S100), and the difference (ΔT) between the cooling water temperature T2 and the cooling water temperature T1. And the temperature Tfc of the fuel cell 10 is calculated (step S110). When the power generation load of the fuel cell 10 is relatively large and the heat generation amount is relatively large, ΔT is a relatively large value. When the power generation load of the fuel cell 10 is relatively small and the heat generation amount is relatively small, ΔT is a relatively small value. The temperature Tfc of the fuel cell 10 is represented by Tfc = T2 + α, where α is a value prepared in advance.

次に、ＣＰＵは、ステップＳ１１０で算出したΔＴが５（℃）未満であるか否かを判断する（ステップＳ１２０）。そして、ΔＴが５（℃）以上である場合には（ステップＳ１２０：ＮＯ）、ＣＰＵは、冷却水ポンプ３０の出力Ｗを増加させて（ステップＳ１２２）、冷却水の循環流量を増加させ、冷却システムの冷却能力を高くする。冷却水ポンプ３０の出力Ｗと、冷却水の循環流量とは、ほぼ対応する。一方、ΔＴが５（℃）未満である場合には（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、冷却水ポンプ３０の出力Ｗを減少させて（ステップＳ１２４）、冷却水の循環流量を減少させ、冷却システムの冷却能力を低くする。そして、ステップＳ１２２、または、ステップＳ１２４の処理を実行した後、ＣＰＵは、後述するエア滞留防止処理を実行し（ステップＳ１３０）、燃料電池１０内の冷却媒体流路に気泡が滞留するのを予防する。なお、ステップＳ１２２における冷却水ポンプ３０の出力Ｗの増加量や、ステップＳ１２４における冷却水ポンプ３０の出力Ｗの減少量は、例えば、所定の値としてもよいし、所定の割合としてもよい。 Next, the CPU determines whether or not ΔT calculated in step S110 is less than 5 (° C.) (step S120). When ΔT is 5 (° C.) or more (step S120: NO), the CPU increases the output W of the cooling water pump 30 (step S122), increases the circulating flow rate of the cooling water, and cools the cooling water. Increase the cooling capacity of the system. The output W of the cooling water pump 30 substantially corresponds to the circulating flow rate of the cooling water. On the other hand, when ΔT is less than 5 (° C.) (step S120: YES), the CPU decreases the output W of the cooling water pump 30 (step S124), decreases the circulating flow rate of the cooling water, and cools the cooling water. Reduce the cooling capacity of the system. Then, after executing the process of step S122 or step S124, the CPU executes an air retention prevention process to be described later (step S130) to prevent bubbles from remaining in the coolant flow path in the fuel cell 10. To do. Note that the amount of increase in the output W of the cooling water pump 30 in step S122 and the amount of decrease in the output W of the cooling water pump 30 in step S124 may be, for example, a predetermined value or a predetermined ratio.

次に、ＣＰＵは、冷却ファン２２が駆動しているか否かを判断する（ステップＳ１４０）。そして、冷却ファン２２が駆動している場合には（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、ステップＳ１１０で算出した燃料電池１０の温度Ｔｆｃが９０（℃）より高いか否かを判断する（ステップＳ１５０）。冷却ファン２２が駆動しているにもかかわらず、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが９０（℃）よりも高い場合には（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、燃料電池システム１００に異常が発生していると判断し、停止処理を実行し（ステップＳ１９０）、運転を停止する。停止処理には、例えば、燃料電池システム１００の異常をユーザに報知するための処理等が含まれる。 Next, the CPU determines whether or not the cooling fan 22 is driven (step S140). When the cooling fan 22 is driven (step S140: YES), the CPU determines whether or not the temperature Tfc of the fuel cell 10 calculated in step S110 is higher than 90 (° C.) (step S150). ). If the temperature Tfc of the fuel cell 10 is higher than 90 (° C.) despite the cooling fan 22 being driven (step S150: YES), the CPU has detected an abnormality in the fuel cell system 100. It is determined that there is a stop, a stop process is executed (step S190), and the operation is stopped. The stop process includes, for example, a process for notifying the user of an abnormality in the fuel cell system 100.

ステップＳ１５０において、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが９０（℃）以下である場合には（ステップＳ１５０：ＮＯ）、ＣＰＵは、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが７０（℃）未満であるか否かを判断する（ステップＳ１６０）。そして、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが７０（℃）未満である場合には（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、冷却ファン２２を停止し（ステップＳ１７０）、冷却システムの冷却能力を低くする。一方、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが７０（℃）以上である場合には（ステップＳ１６０：ＮＯ）、ＣＰＵは、冷却ファン２２の動作状態をＯＮのまま維持する（ステップＳ１８４）。 When the temperature Tfc of the fuel cell 10 is 90 (° C.) or less in step S150 (step S150: NO), the CPU determines whether or not the temperature Tfc of the fuel cell 10 is less than 70 (° C.). (Step S160). When the temperature Tfc of the fuel cell 10 is less than 70 (° C.) (step S160: YES), the CPU stops the cooling fan 22 (step S170) and lowers the cooling capacity of the cooling system. On the other hand, when the temperature Tfc of the fuel cell 10 is 70 (° C.) or higher (step S160: NO), the CPU keeps the operation state of the cooling fan 22 ON (step S184).

ステップＳ１４０において、冷却ファン２２が停止している場合には（ステップＳ１４０：ＮＯ）、ＣＰＵは、燃料電池１０のＴｆｃが８０（℃）より高いか否かを判断する（ステップＳ１８０）。そして、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが８０（℃）よりも高い場合には（ステップＳ１８０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、冷却ファン２２を駆動し（ステップＳ１８２）、冷却システムの冷却能力を高くする。一方、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが８０（℃）以下である場合には（ステップＳ１８０：ＮＯ）、ＣＰＵは、冷却ファン２２の動作状態をＯＦＦのまま維持する（ステップＳ１８４）。 In step S140, when the cooling fan 22 is stopped (step S140: NO), the CPU determines whether or not Tfc of the fuel cell 10 is higher than 80 (° C.) (step S180). When the temperature Tfc of the fuel cell 10 is higher than 80 (° C.) (step S180: YES), the CPU drives the cooling fan 22 (step S182) to increase the cooling capacity of the cooling system. On the other hand, when the temperature Tfc of the fuel cell 10 is 80 (° C.) or less (step S180: NO), the CPU keeps the operation state of the cooling fan 22 OFF (step S184).

なお、上述した冷却システムの運転制御において、ステップＳ１２０，１５０，１６０，１８０における判断基準となる各基準値は、燃料電池１０の特性に応じて任意に設定可能である。 In the above-described operation control of the cooling system, each reference value serving as a determination reference in steps S120, 150, 160, and 180 can be arbitrarily set according to the characteristics of the fuel cell 10.

図３は、図２のステップＳ１３０におけるエア滞留防止処理の流れを示すフローチャートである。 FIG. 3 is a flowchart showing the flow of the air retention prevention process in step S130 of FIG.

まず、ＣＰＵは、冷却水ポンプ３０の出力Ｗが所定値Ｗ１未満になっているか否かを判断する（ステップＳ１３２）。この所定値Ｗ１は、燃料電池１０が冷却され過ぎず、かつ、燃料電池１０内の冷却媒体流路に気泡が滞留しない程度の冷却媒体の循環流量が得られる範囲内で任意に設定可能である。そして、冷却水ポンプ３０の出力Ｗが所定値Ｗ１以上である場合には（ステップＳ１３２：ＮＯ）、ＣＰＵは、冷却水ポンプ３０の出力Ｗをそのまま維持する（ステップＳ１３４）。一方、冷却水ポンプ３０の出力Ｗが所定値Ｗ１未満になっている場合には（ステップＳ１３２：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、所定の時間間隔ｔで、間欠的に、冷却水ポンプ３０の出力Ｗを所定値Ｗ１に増加させて（ステップＳ１３６）、冷却水によって、燃料電池１０内の冷却媒体流路をフラッシングする。本実施例では、ステップＳ１３６の枠内に示したように、冷却水ポンプ３０の出力Ｗを、ステップＳ１３６を実行開始した時間０における出力Ｗｉから所定値Ｗ１に、スパイク状に増加させるものとした。この場合、冷却水ポンプ３０の出力ＷがＷ＝Ｗｉのときの冷却水の循環流量が、そのときに燃料電池１０の温度を所定範囲内に維持するために必要な循環流量であるから、冷却水ポンプ３０の出力ＷをＷ＝Ｗ１に増加させれば、燃料電池１０の温度を所定範囲内に維持するために必要な循環流量よりも多い冷却水が燃料電池１０に循環することになる。なお、フラッシングは、所定の期間行われる。 First, the CPU determines whether or not the output W of the cooling water pump 30 is less than a predetermined value W1 (step S132). The predetermined value W1 can be arbitrarily set within a range in which the circulating flow rate of the cooling medium is obtained so that the fuel cell 10 is not cooled too much and bubbles are not retained in the cooling medium flow path in the fuel cell 10. . When the output W of the cooling water pump 30 is equal to or greater than the predetermined value W1 (step S132: NO), the CPU maintains the output W of the cooling water pump 30 as it is (step S134). On the other hand, when the output W of the cooling water pump 30 is less than the predetermined value W1 (step S132: YES), the CPU intermittently outputs the output W of the cooling water pump 30 at a predetermined time interval t. The temperature is increased to a predetermined value W1 (step S136), and the cooling medium flow path in the fuel cell 10 is flushed with cooling water. In the present embodiment, as shown in the frame of step S136, the output W of the cooling water pump 30 is increased from the output Wi at the time 0 at which the execution of step S136 is started to a predetermined value W1 in a spike shape. . In this case, the cooling water circulation flow rate when the output W of the cooling water pump 30 is W = Wi is a circulation flow rate necessary for maintaining the temperature of the fuel cell 10 within a predetermined range at that time. If the output W of the water pump 30 is increased to W = W1, more cooling water is circulated to the fuel cell 10 than the circulation flow rate necessary to maintain the temperature of the fuel cell 10 within a predetermined range. The flushing is performed for a predetermined period.

上記第１実施例の燃料電池システム１００では、冷却水ポンプ３０の出力Ｗが所定値Ｗ１未満である場合、すなわち、燃料電池１０の発電負荷が所定値未満である場合に、所定期間、燃料電池１０の温度を所定範囲内に維持するために必要な循環流量、すなわち、燃料電池１０の発電負荷に応じた循環流量よりも多い所定量の冷却水を、間欠的に燃料電池１０に循環させる。したがって、冷却水の流れの勢いによって、燃料電池１０内の冷却媒体流路での気泡の滞留を予防することができる。この結果、燃料電池１０の温度の過上昇による発電性能の低下や、破壊を抑制することができる。 In the fuel cell system 100 of the first embodiment, when the output W of the cooling water pump 30 is less than the predetermined value W1, that is, when the power generation load of the fuel cell 10 is less than the predetermined value, the fuel cell for a predetermined period. A predetermined amount of cooling water larger than the circulating flow rate required to maintain the temperature of 10 within a predetermined range, that is, the circulating flow rate corresponding to the power generation load of the fuel cell 10 is circulated through the fuel cell 10 intermittently. Therefore, the retention of bubbles in the coolant flow path in the fuel cell 10 can be prevented by the momentum of the coolant flow. As a result, a decrease in power generation performance due to an excessive increase in the temperature of the fuel cell 10 and a breakdown can be suppressed.

Ｃ．冷却システムの運転制御（第２実施例）：
図４は、第２実施例における冷却システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池１０による発電中に、制御ユニット５０のＣＰＵが実行する処理である。 C. Cooling system operation control (second embodiment):
FIG. 4 is a flowchart showing a flow of operation control of the cooling system in the second embodiment. This process is a process executed by the CPU of the control unit 50 during power generation by the fuel cell 10.

ＣＰＵは、第１実施例における冷却システムの運転制御と同様に、第１温度センサ４２、および、第２温度センサ４４によってそれぞれ検出された冷却水温Ｔ１と、冷却水温Ｔ２とを読み込み（ステップＳ１００）、冷却水温Ｔ２と冷却水温Ｔ１との差（ΔＴ）、および、燃料電池１０の温度Ｔｆｃを算出する（ステップＳ１１０）。 The CPU reads the cooling water temperature T1 and the cooling water temperature T2 detected by the first temperature sensor 42 and the second temperature sensor 44, respectively, similarly to the operation control of the cooling system in the first embodiment (step S100). Then, the difference (ΔT) between the cooling water temperature T2 and the cooling water temperature T1 and the temperature Tfc of the fuel cell 10 are calculated (step S110).

次に、ＣＰＵは、ステップＳ１１０で算出したΔＴが５（℃）未満であるか否かを判断する（ステップＳ１２０）。そして、ΔＴが５（℃）以上である場合には（ステップＳ１２０：ＮＯ）、ＣＰＵは、冷却水ポンプ３０の出力Ｗを増加させて（ステップＳ１２２）、冷却水の循環流量を増加させ、冷却システムの冷却能力を高くする。一方、ΔＴが５（℃）未満である場合には（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、冷却水ポンプ３０の出力Ｗを減少させて（ステップＳ１２４）、冷却水の循環流量を減少させ、冷却システムの冷却能力を低くする。その際、ＣＰＵは、後述するエア滞留防止処理を実行し、燃料電池１０内の冷却媒体流路に気泡が滞留するのを予防する。 Next, the CPU determines whether or not ΔT calculated in step S110 is less than 5 (° C.) (step S120). When ΔT is 5 (° C.) or more (step S120: NO), the CPU increases the output W of the cooling water pump 30 (step S122), increases the circulating flow rate of the cooling water, and cools the cooling water. Increase the cooling capacity of the system. On the other hand, when ΔT is less than 5 (° C.) (step S120: YES), the CPU decreases the output W of the cooling water pump 30 (step S124), decreases the circulating flow rate of the cooling water, and cools the cooling water. Reduce the cooling capacity of the system. At that time, the CPU executes an air stagnation prevention process, which will be described later, to prevent bubbles from staying in the coolant flow path in the fuel cell 10.

そして、ステップＳ１２２、または、ステップＳ１２６の処理を実行した後、ＣＰＵは、図２に示した第１実施例における冷却システムの運転制御のステップＳ１４０以降の処理と同じ処理を実行する。これらの処理は、第１実施例における冷却システムの運転制御と同じであるので、説明を省略する。 And after performing the process of step S122 or step S126, CPU performs the same process as the process after step S140 of the driving | operation control of the cooling system in 1st Example shown in FIG. Since these processes are the same as the operation control of the cooling system in the first embodiment, the description thereof is omitted.

図５は、図４のステップＳ１２６におけるエア滞留防止処理の流れを示すフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart showing the flow of the air retention prevention process in step S126 of FIG.

ＣＰＵは、冷却水ポンプ３０の必要出力Ｗｎが所定値Ｗ１未満であるか否かを判断する（ステップＳ２００）。そして、冷却水ポンプ３０の必要出力Ｗｎが所定値Ｗ１以上である場合には（ステップＳ２００：ＮＯ）、冷却水ポンプ３０の出力ＷをＷ＝Ｗｎとする（ステップＳ２１０）。一方、冷却水ポンプ３０の必要出力Ｗｎが所定値Ｗ１未満である場合には（ステップＳ２００：ＹＥＳ）、冷却水ポンプ３０の出力ＷをＷ＝Ｗ１とする（ステップＳ２２０）。すなわち、冷却水ポンプ３０の出力Ｗの下限値をＷ１に制限する。この場合、冷却水ポンプ３０の出力ＷがＷ＝Ｗｎのときの冷却水の循環流量が、そのときに燃料電池１０の温度を所定範囲内に維持するために必要な循環流量であるから、冷却水ポンプ３０の出力ＷをＷ＝Ｗ１に制限すれば、燃料電池１０の温度Ｔｆｃを所定範囲内に維持するために必要な循環流量よりも多い冷却水が燃料電池１０に循環することになる。 The CPU determines whether or not the required output Wn of the cooling water pump 30 is less than a predetermined value W1 (step S200). When the required output Wn of the cooling water pump 30 is equal to or greater than the predetermined value W1 (step S200: NO), the output W of the cooling water pump 30 is set to W = Wn (step S210). On the other hand, when the required output Wn of the cooling water pump 30 is less than the predetermined value W1 (step S200: YES), the output W of the cooling water pump 30 is set to W = W1 (step S220). That is, the lower limit value of the output W of the cooling water pump 30 is limited to W1. In this case, the cooling water circulation flow rate when the output W of the cooling water pump 30 is W = Wn is a circulation flow rate necessary for maintaining the temperature of the fuel cell 10 within a predetermined range at that time. If the output W of the water pump 30 is limited to W = W1, more cooling water than the circulation flow rate necessary for maintaining the temperature Tfc of the fuel cell 10 within a predetermined range is circulated to the fuel cell 10.

上記第２実施例の燃料電池システムでは、冷却水ポンプ３０の必要出力Ｗｎが所定値Ｗ１未満の場合、すなわち、燃料電池１０の発電負荷が所定値未満である場合に、冷却水ポンプ３０の出力ＷをＷ１（下限値）に制限し、燃料電池１０の温度Ｔｆｃを所定範囲内で維持するために必要な循環流量、すなわち、燃料電池１０の発電負荷に応じた循環流量よりも多い所定量の冷却水を燃料電池１０に循環させる。したがって、冷却水の流れの勢いによって、燃料電池１０内の冷却媒体流路での気泡の滞留を予防することができる。この結果、燃料電池１０の温度の過上昇による発電性能の低下や、破壊を抑制することができる。 In the fuel cell system of the second embodiment, when the required output Wn of the cooling water pump 30 is less than the predetermined value W1, that is, when the power generation load of the fuel cell 10 is less than the predetermined value, the output of the cooling water pump 30. Limiting W to W1 (lower limit value) and maintaining the temperature Tfc of the fuel cell 10 within a predetermined range, that is, a predetermined amount larger than the circulating flow rate according to the power generation load of the fuel cell 10 Cooling water is circulated through the fuel cell 10. Therefore, the retention of bubbles in the coolant flow path in the fuel cell 10 can be prevented by the momentum of the coolant flow. As a result, a decrease in power generation performance due to an excessive increase in the temperature of the fuel cell 10 and a breakdown can be suppressed.

Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。 D. Variation:
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.

Ｄ１．変形例１：
上記第１実施例では、図３に示したエア滞留防止処理のステップＳ１３４において、冷却水ポンプ３０の出力Ｗを間欠的に所定値Ｗ１に増加させるものとしたが、これに限られない。冷却水ポンプ３０の出力Ｗを所定値Ｗ１よりも大きな値に増加させるようにしてもよい。また、冷却水ポンプ３０の出力Ｗに応じて、間欠的に増加させる値を変化させるようにしてもよい。 D1. Modification 1:
In the first embodiment, the output W of the cooling water pump 30 is intermittently increased to the predetermined value W1 in step S134 of the air retention prevention process shown in FIG. 3, but the present invention is not limited to this. The output W of the cooling water pump 30 may be increased to a value larger than the predetermined value W1. Further, the value to be intermittently increased may be changed according to the output W of the cooling water pump 30.

Ｄ２．変形例２：
上記第１実施例では、図３に示したエア滞留防止処理のステップＳ１３４において、冷却水ポンプ３０の出力Ｗをスパイク状に増加させるものとしたが、これに限られない。例えば、冷却水ポンプ３０の出力Ｗをパルス状に増加させるようにしてもよい。 D2. Modification 2:
In the first embodiment, the output W of the cooling water pump 30 is increased in a spike shape in step S134 of the air retention prevention process shown in FIG. 3, but the present invention is not limited to this. For example, the output W of the cooling water pump 30 may be increased in pulses.

Ｄ３．変形例３：
上記第１実施例では、図３に示したエア滞留防止処理のステップＳ１３４において、冷却水ポンプ３０の出力Ｗを、所定の時間間隔ｔで間欠的に増加させるものとしたが、これに限られない。例えば、冷却水ポンプ３０の出力Ｗに応じて、時間間隔を変化させるようにしてもよい。 D3. Modification 3:
In the first embodiment, the output W of the cooling water pump 30 is intermittently increased at the predetermined time interval t in step S134 of the air retention prevention process shown in FIG. Absent. For example, the time interval may be changed according to the output W of the cooling water pump 30.

本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell system 100 as one Example of this invention. 第１実施例における冷却システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the operation control of the cooling system in 1st Example. エア滞留防止処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of an air retention prevention process. 第２実施例における冷却システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the operation control of the cooling system in 2nd Example. エア滞留防止処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of an air retention prevention process.

Explanation of symbols

１００…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…ラジエータ
２２…冷却ファン
３０…冷却水ポンプ
４０…冷却水配管
４２…第１温度センサ
４４…第２温度センサ
５０…制御ユニット DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Fuel cell system 10 ... Fuel cell 20 ... Radiator 22 ... Cooling fan 30 ... Cooling water pump 40 ... Cooling water piping 42 ... 1st temperature sensor 44 ... 2nd temperature sensor 50 ... Control unit

Claims

A fuel cell system,
A fuel cell;
A cooling system for cooling the fuel cell by circulating a cooling medium in the fuel cell,
The cooling system includes:
A cooling device for cooling the cooling medium;
A circulation pipe for circulating the cooling medium between the fuel cell and the cooling device;
A circulation pump disposed on the circulation pipe and circulating the cooling medium through the circulation pipe;
The circulation flow rate of the cooling medium in the cooling system is controlled by controlling the output of the circulation pump according to the power generation load of the fuel cell so that the temperature of the fuel cell is maintained within a predetermined range. A control unit, and
When the fuel cell is generating power and the power generation load of the fuel cell is less than a predetermined value, the control unit has a predetermined amount of the cooling larger than the circulation flow rate according to the power generation load for a predetermined period. Controlling the circulation pump so that a medium circulates in the circulation pipe;
Fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 1, wherein
The predetermined amount is set within a range in which the fuel cell is not cooled excessively and bubbles contained in the cooling medium do not stay in a cooling medium flow path formed in the fuel cell.
Fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 1, wherein
The controller is intermittently increasing the circulating flow rate at predetermined time intervals when the fuel cell is generating power and the power generation load of the fuel cell is less than a predetermined value.
Fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 1, wherein
The control unit restricts the circulation flow rate to a predetermined lower limit value when the fuel cell is generating power and a power generation load of the fuel cell is less than a predetermined value.
Fuel cell system.

A control method for a fuel cell system, comprising:
The fuel cell system includes:
A fuel cell;
A cooling system for cooling the fuel cell by circulating a cooling medium in the fuel cell,
The cooling system includes:
A cooling device for cooling the cooling medium;
A circulation pipe for circulating the cooling medium between the fuel cell and the cooling device;
A circulation pump disposed on the circulation pipe and circulating the cooling medium through the circulation pipe;
The control method is:
Controlling the circulation flow rate of the cooling medium in the cooling system by controlling the output of the circulation pump according to the power generation load of the fuel cell so that the temperature of the fuel cell is maintained within a predetermined range. When,
During power generation by the fuel cell, when the power generation load of the fuel cell is less than a predetermined value, a predetermined amount of the cooling medium greater than the circulation flow rate according to the power generation load is supplied to the circulation pipe for a predetermined period. Controlling the circulating pump to circulate
A control method comprising: